「量子運算」(quantum computing)可說是容易被「略過」的技術之一,因為它離我們還太遙遠而不至於讓人現在就開始擔心。即使是最樂觀的估計也還要十多年後才可能實際利用。但是,由於這項技術涉及運算領域的顛覆性典範轉移,讓許多嚴謹的開發人員現在就開始探索量子運算技術。

針對量子運算的討論主要著重於其超越傳統運算的巨大潛力。其中,一個經常被提及的應用是「密碼學」(cryptography),特別是針對從受保護的訊息流中擷取個人加密密鑰而破解了資料的安全性。業界已經為此開發出執行此任務的演算法,但由於其密集型運算需求,因而破解(例如2048位元RSA密鑰,廣泛用於當今網際網路流量)也需要好幾十年,甚至是最快的超級電腦。然而,根據最近的估計顯示,量子電腦可以在8小內破解程式碼。

這樣令人憂心的前景——曾經被認為遠比受保護資訊可用壽命更安全的加密通訊,如今可能濱臨危險之中——首先反映在對於量子運算燃起興趣與期待。但是,破解程式碼並不是該技術承諾顛覆性突破的唯一應用,各種機會都激起了人們更多的興趣。醫療、材料科學、分子生物學和金融應用,均積極探索量子運算能為他們帶來什麼。而且對於量子運算也越來越感興趣。

2018年,美國政府通過「國家量子倡議法案」(National Quantum Initiative Act),不僅建立了國家量子協調辦公室,並提供12億美元資助未來五年的量子資訊科學研究。歐盟(EU)還批准了高達10億歐元的資金用於量子總體規劃。中國也正大力投資,尋求在量子技術上超越美國。

儘管目前還過於簡單而無法超越傳統電腦,但量子電腦已經投入使用。等到量子電腦的運算能力強大到超過傳統電腦,足以解決任何電腦無法克服的問題,即將實現所謂的「量子霸權」(quantum supremacy)里程碑。IBM Q System One電腦已用於商業實驗和研究,並建立了諸如Exxon/Mobile等合作夥伴網路,以進一步推動新興產業發展。D-wave、Rigetti和其他幾家公司也開發了可用的量子電腦。英特爾(Intel)、Google投入量子人工智慧(AI)研究工作,微軟則建立起軟體和硬體供應商Quantum Network,共同推動這項技術發展。

D-Wave

D-Wave開發的這款處理器是幾款可用的量子系統之一,有助於應用開發人員探索量子運算技術。(來源:D-Wave)

因此,量子運算目前仍處於早期發展階段,要從研究領域走向實際應用還需要好多年的時間。然而,對於許多產業而言,現在就開始探索這項技術的使用仍然十分重要。早期展開這一行動有其必要性,因為量子運算並不只是運算速度更快,它在解決問題方面也與傳統電腦大不相同。開發人員需要時間來熟悉新方法,以便能準備好在量子運算就緒時立即開始使用。

傳統運算在進行計算時遵循一系列步驟(稱為演算),以求得最後的結果。例如,如果尋求找到最佳化或滿足某些複雜功能的值,傳統電腦必須以演算方式逐一探索所有可能的選擇。然而,量子電腦基本上透過糾纏和疊加等量子力學特性,同時考慮所有可能的答案。

為了有效利用量子電腦,程式設計人員指定一系列的量子閘,以建立定義解決問題的條件。設置這種量子閘利用了量子電腦位元(Qubits或Qbits)的機率和波干擾特性來改變輸入向量,使輸出向量代表問題的可能答案。然而,單次執行並不表示結果的確定性,而只是正確的機率相當高。經過多次的試驗,量子電腦可以根據需要提高機率到接近確定性。即使需要多次執行才能產生準確的結果,如果量子電腦擁有足夠的量子位元,那麼總運算時間則可能比演算途徑更少。

這種方法完全不同於傳統運算,因此,目前的電腦和編程專業知識基本上並不適用於量子運算。如今,開發人員必須從頭開始學習量子運算了。那麼,現在正是開始掌握量子運算專業知識的時候了!

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum Computing Starts Now,by Rich Quinnell)